双源CT不同胸部扫描模式对图像质量的影响：仿真体模研究

暴云锋，单春辉，黄晓颖，王鹏朝，张承泽，陈英敏

(河北省人民医院医学影像科，河北 石家庄 050051)

2018年全世界新发肺癌210万例、死亡180万例，均居新发肿瘤首位[1]。目前胸部CT是筛查肺癌、诊断、分期及评价疗效等最常用的影像学方法之一[2]。双源CT胸部扫描有常规和大螺距Turbo Flash(TF)两种扫描模式。本研究利用仿真体模对比2种模式不同螺距下扫描参数及图像质量的差异，以优选最佳扫描方案。

1 资料与方法

1.1 仿真体模 采用Kyoto Kagaku PBU-60全身CT仿真体模(图1)，长165 cm，质量50 kg，内无金属零件及液体，以聚氨酯基础树脂替代软组织和器官，环氧基树脂替代骨组织，接头附件材质为环氧树脂和带碳纤维的聚氨酯，螺丝为聚碳酸酯，辐射吸收和HU值及肺部结构与人体相似。

图1 PBU-60全身CT仿真体模外观

1.2 仪器与方法 采用Siemens多层双源Somatom Force CT仪，将体模置于扫描野中心，肺尖至肺底行轴位胸部CT扫描，管电压120 kVp，自动管电流调节CARE Dose 4D技术，设置参考管电流为72 mAs，转速0.28 s/r，长度330 mm。采用单源常规螺旋扫描和双源大螺距TF扫描模式，前者螺距0.8～1.5，间隔0.1，共8组；后者螺距1.6～3.2，间隔0.1，共17组；重建视野350 mm，重建层厚及层间距均为5 mm，纵隔窗重建窗宽350 HU，窗位40 HU，卷积核Br40，高级模型迭代重建算法重建强度为Strength3。以上述25组方案重复扫描3次，记录每次扫描时间、容积CT剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)及剂量长度乘积(dose-length product，DLP)，以平均值作为结果。

1.3 图像质量

1.3.1 主观评价 将数据传至专用图像后处理工作站，由2名具有5年以上工作经验的影像科医师采用5分制分别对每组图像的5个不同层面图像进行双盲评分(图2)：边缘、肺纹理及分支清晰，完全满足诊断要求为5分；边缘略模糊，肺纹理及分支清晰，可满足诊断要求为4分；边缘模糊，肺纹理及分支尚可，基本满足诊断要求为3分；边缘模糊，肺纹理及分支模糊，不能满足诊断要求为2分；边缘不清，不能显示正常结构，完全不能满足诊断要求为1分。以2名医师评分的平均值作为结果。

图2 仿真体模轴位CT肺窗图像 A.常规模式、螺距1.4；B.TF模式、螺距2.7

1.3.2 客观评价 由1名具有5年以上工作经验的影像科医师于3次扫描的相同层面的相同位置设置圆形ROI(100 mm2)，4个层面包括右侧肺尖水平软组织(胸锁关节上方2个层面)、主动脉弓、膈肌腔静脉孔水平椎体(T10)及肝右叶膈顶无血管纹理处(图3)，记录组织和背景ROI的CT值及标准差(standard deviation，SD)，以SD代表噪声；计算信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和对比度噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)，SNR=CT组织/SD组织，CNR=(CT组织-CT背景)/SD背景。以所测参数的均值作为结果。

图3 仿真体模轴位CT纵隔窗图像 A～D.于常规模式、螺距1.4方案所获图像中肺尖软组织、主动脉弓、T10、肝右叶膈顶下无血管纹理处勾画ROI；E～H.于TF模式、螺距2.7所获图像相应位置勾画ROI (圈1：组织ROI；圈2：背景ROI)

1.4 统计学分析 采用SPSS 24.0统计分析软件，以Kappa检验评价2名医师主观评分的一致性，Kappa≤0.20为一致性较差，0.200.80几乎完全一致；采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient，ICC)评价扫描参数的一致性，ICC<0.40为一致性差，0.40≤ICC<0.75为一致性良好，ICC≥0.75为高度一致。以中位数(四分位数间距)表示不符合正态分布的计量资料，以四分位数间距反映数据的离散趋势；采用Mann-WhitneyU检验比较2种模式下各指标差异。以一元线性回归分析螺距与各指标的相关性，B>0呈正相关，B<0呈负相关。采用TOPSIS法综合12种因素，并对2种模式中25组数据进行优劣排名。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一致性分析 2名医师对图像质量的主观评分的一致性较高(Kappa=0.85，P<0.05)。常规扫描模式下CTDIvol和DLP的ICC为0.98及0.99，TF模式下为0.98及0.99(P均<0.05)，具有高度一致性；常规模式下4个层面CT值的ICC分别为0.63、0.80、0.78及0.69，TF模式为0.70、0.85、0.79及0.73(P均<0.05)，一致性良好或高。

2.2 差异性比较 TF模式下扫描时间、CTDIvol及DLP均明显低于常规模式(P均<0.05)；2种模式图像质量主观评分差异无统计学意义(P>0.05)；TF模式下，除T10 SNR外，其余SNR均高于常规模式(P均<0.05)，CNR均低于常规模式(P均<0.05)。离散趋势分析显示，TF模式下扫描时间、CTDIvol及DLP的离散程度均低于常规模式；2种模式主观评分离散趋势相近；客观评分中，TF模式下SNR及CNR离散程度均高于常规模式。见表1。

表1 常规及TF模式下扫描参数及图像质量评价比较及离散趋势分析

2.3 相关性分析 2种模式下，螺距与扫描时间、CTDIvol及DLP均呈明显线性关系(P均<0.05，表2)，与其余各指标无明显相关(P均>0.05)。

表2 常规及TF模式下螺距与各指标的线性回归分析

2.4 综合评价 常规模式下螺距1.5最优，1.4最劣，且在全部方案中亦属最劣。TF模式下螺距2.7最优，且在全部方案为最优，扫描时间相比于常规模式下最优方案降47.89%，CTDIvol下降26.84%，DLP下降29.93%，图像质量客观评价相差1.74%。见表3。

表3 常规及TF模式下不同螺距TOPSIS分析结果

3 讨论

本研究以仿真体模为观察对象，其X线吸收率和HU值与人体相似，可保证数据可信度及试验的可重复性。成像设备在常规模式中螺距最低0.8、最高1.5，TF模式下最小1.6、最大3.2，故本研究观察螺距范围为0.8～3.2。

扫描时间、辐射剂量及图像质量均为CT检查的重要因素。自动管电流调节技术可在保证图像质量的前提下有效降低辐射剂量，管电压通常为120 kVp[3]。在此前提下，扫描模式和螺距成为关键性因素。本研究中TF模式下扫描时间、CTDIvol及DLP明显低于常规模式，且伴随螺距增加，辐射剂量的离散度轻微，原因在于双源CT具有2组曝光和数据采集系统，可显著缩减曝光时间，时间、空间分辨率更高[4]，且前置滤线器可消除“过扫描”X线，有效控制辐射剂量[5]。本研究针对软组织、大血管、骨质和脏器4个层面评价图像客观质量，发现TF模式下的CNR均低于常规模式，SNR水平则除T10层面外均高于常规模式，可能原因是双源扫描的剂量利用效率更高[6]。TF模式下前置滤线器可提升作用于受检组织的射线分布，削减背景射线分布，使SNR升高而CNR降低。本研究2种模式下T10层面SNR无显著差异，可能由于X线穿透力与线量无关，组织密度越高，残留X线差异越小，故SNR无明显区别；2种模式图像的主观质量评分无明显差异，均可满足诊断要求，与既往研究[7]相符。

本研究发现螺距与扫描时间、辐射剂量均呈线性关系。DE ZORDO等[8]认为增加螺距可显著缩短扫描时间、减少数据重叠，大螺距可减少辐射剂量。本研究结果显示常规扫描模式下螺距与CTDIvol呈正相关，TF模式与其呈负相关，提示不同模式下螺距对辐射剂量的影响存在差别，可能与本研究应用了管电流调节技术有关：随着螺距提高，实际管电流增加，导致常规模式CTDIvol增高[9]；不同的是TF的前置滤线器与常规模式略有区别，可更有效地控制辐射剂量，CTDIvol会随螺距增加而呈下降趋势，且幅度轻微。

尽管如此，TF模式中螺距与CTDIvol成反比，与DLP成正比，且与两者的R2也不相同，提示实际扫描范围出现变化，可能因螺距不断提升使扫描床运动逐渐加快，导致制动能力不足而出现“过扫描”。虽然双源CT的“非对称屏蔽采集”技术可消除“过扫描”[10]，但在螺距超出限度时该技术能力明显不足，使螺距提升幅度受限。本研究发现螺距与图像质量均无明显相关，与既往研究[11]相符，可能与双源CT完善的硬件性能和内插算法有关。促使扫描时间和辐射剂量缩减的主要因素是大螺距扫描，其次为TF模式，而造成图像质量差异的主要因素是扫描模式；但受技术限制，目前唯有双源模式可实现大螺距扫描。

本研究对原始数据进行同趋势和归一化处理后，以TOPSIS分析法综合评价25组数据，计算其与最优、最劣方案的接近程度并加以排名[12]，得出最优方案为TF模式、螺距2.7，与既往研究[13]相近；而最劣方案为常规模式、螺距1.4，不建议临床使用。

本研究的主要不足：①仿真体模模型单一，无法模拟呼吸运动，但大螺距TF扫描模式对患者配合度的要求较低[14]；②无法模拟肺部结节、淋巴结或肿瘤等结构，评价图像质量存在偏倚。

综上，双源CT两种胸部扫描模式图像均可满足观察仿真体模需求，且大螺距TF模式的扫描时间、辐射剂量及SNR均优于常规模式，但其CNR不及常规模式，TF模式、螺距2.7为最优方案。